[논문 리뷰] Spin-orbit torque switching without external field with a ferromagnetic exchange-biased coupling layer

Yong‐Chang Lau, Davide Betto외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 18.

Chemical and Physical Properties of Materials참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 Ru 스퍼를 통해 페러마그네틱 상호작용에 의해 교환편향되는 커플링 층을 사용하여 수직 CoFe 자유층에서 결정론적이고 교환편향 없는 스핀 오비탈 토크(SOT) 스위칭을 구현한다. 대칭성 파괴는 상호작용에 의한 교환 커플링(IEC)을 통해 이루어지며, 외부 자기장이 없이 전류 극성에 따라 스위칭이 가능하게 하여, 확장 가능한 SOT-MRAM 및 스핀트로닉스 장치로 향한 핵심 단계이다.

ABSTRACT

Magnetization reversal of a perpendicular ferromagnetic free layer by spin-orbit torque (SOT) is an attractive alternative to spin-transfer torque (STT) switching in magnetic random-access memory (MRAM) where the write process involves passing a high current across an ultrathin tunnel barrier. A small symmetry-breaking bias field is usually needed for deterministic SOT switching but it is impractical to generate the field externally for spintronic applications. Here, we demonstrate robust zero-field SOT switching of a perpendicular Co90Fe10 (CoFe) free layer where the symmetry is broken by magnetic coupling to a second in-plane exchange-biased CoFe layer via a nonmagnetic Ru spacer. The preferred magnetic state of the free layer is determined by the current polarity and the nature of the interlayer exchange coupling (IEC). Our strategy offers a scalable solution to realize bias-field-free SOT switching that can lead to a generation of SOT-based devices, that combine high storage density and endurance with potentially low power consumption.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장이 필요 없이 수직 자기이성질도(PCA) 자유층에서 결정론적 스핀 오비탈 토크(SOT) 스위칭을 달성하기 위해.
• 일반적으로 결정론적 역전을 위해 외부 편향 자기장이 필요한 SOT 스위칭의 대칭성 제한을 극복하기 위해.
• 기존의 자기커플링 메커니즘을 활용하여 확장 가능하고 장치 통합이 가능한 SOT 기반 메모리 및 논리 장치의 솔루션을 개발하기 위해.
• 비자기적 Ru 스퍼를 통한 상호작용에 의한 교환 커플링(IEC)이 대칭성을 깨고 전류 극성에 의해 자화 상태를 제어할 수 있음을 입증하기 위해.
• 이성질 효과 측정, 고조파 홀 응답, 그리고 스핀 혼합 도전도 분석을 통해 메커니즘을 검증하기 위해.

제안 방법

• Ta(1)/Pt(5)/CoFe(0.8)/Ru(t_Ru)/CoFe(1.5)/IrMn(10)/Pt(2)로 구성된 다층 자기 이방성 구조를 제작한다. 하부 CoFe 층은 수직 자기이성질도(PCA)를 가진다.
• 상부 CoFe 층은 IrMn에 의해 교환편향되며 x축 방향으로 고정되어 있어, 평면 내 고정된 자화를 형성하고, 이는 Ru 스퍼를 통해 상호작용에 의한 교환 커플링(IEC)을 유도한다.
• Pt 층에서의 스핀 홀 효과(SHE)를 통해 평면 내 전류에 의해 스핀 오비탈 토크(SOT)가 생성되며, 순수한 스핀 전류가 자유층에 슬론체프스키 유사 토크를 작용시킨다.
• 상호작용에 의한 교환 커플링의 방향(강자성 또는 반자성)은 열처리 시 적용된 자기장 방향에 의해 제어되며, 이는 교환편향을 설정하고 자유층의 선호 자화 상태를 결정한다.
• 자유층의 자화 상태를 탐지하기 위해 비정상 홀 효과(AHE) 측정을 수행하며, 외부 자기장에 대한 홀 전압을 측정한다.
• 1234.57 Hz에서의 고조파 홀 측정을 통해 효과적 스핀 오비탈장을 추출하였으며, 스핀 혼합 도전도의 허수 부분이 무시할 만큼 작고, 스핀 홀 각도가 11.2%임을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장이 없이 수직 자기이성질도(PCA) 자유층에서 결정론적 SOT 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 비자기적 Ru 스퍼를 통한 상호작용에 의한 교환 커플링(IEC)이 결정론적 SOT 스위칭을 위해 필요한 대칭성을 깰 수 있는가?
• RQ3 교환편향 방향과 IEC의 부호는 자유층의 자화 상태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 외부 자기장이 없을 때 스핀 홀 효과가 효과적 스핀 오비탈 토크를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 제안된 메커니즘은 100 nm 이하의 치수에서 나노스케일 장치로 확장 가능한가?

주요 결과

• 페러마그네틱 교환편향 커플링 층을 Ru 스퍼를 통해 사용하여 수직 CoFe 자유층에서 견고한 외부 자기장이 없는 SOT 스위칭을 달성하였다.
• 전류 극성, 교환편향 방향, 또는 상호작용에 의한 교환 커플링의 부호를 뒤집음으로써 자유층의 자화 상태가 결정론적으로 반전된다.
• Pt 층에서의 스핀 홀 각도는 11.2%로 측정되었으며, 스핀 혼합 도전도 및 비정상 홀 효과 분석과 일치하였다.
• 효과적 스핀 오비탈장은 스핀 혼합 도전도의 실수부에 의해 지배되며, 허수 기여는 무시할 만큼 작다. 이는 라쉬바 효과보다 스핀 홀 효과의 지배적 기여를 확인한다.
• 이 메커니즘은 확장 가능하며, 장치 면적에 의존하지 않고 30 nm 이하의 특성 치수에서도 신뢰성 있게 작동한다.
• 블랭킷 필름에서의 교환편향 자기장은 약 50 mT로 확인되었으며, 표면 거칠기 또는 평탄한 상부 층으로 인한 잔류자장에 의한 커플링의 증거는 없었다.